一種支持串行總線驗證檢測的裝置設計與實現(xiàn)

許晶 譚志宏 孫宏強

摘要：該文提出了一種支持RS232、RS-422、RS-485和ARINC429總線信號檢測的設計，作為測試設備，對總線協(xié)議芯片驗證板卡的被測設備進行測試，控制各功能板卡向驗證板卡發(fā)送測試命令和數(shù)據(jù)，并檢測比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應數(shù)據(jù)是否一致，以此來判斷被測設備的總線通信功能是否正常。

關鍵詞：串行總線；測試裝置；驗證

中圖分類號： TP23? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0005-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

低速串行總線因其結構簡單、使用成本低、可靠性高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點，在裝備電子系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。例如，RS485 是一種串行數(shù)據(jù)接口標準，由電子工業(yè)協(xié)會（Electronics Industry Association，EIA） 制訂并發(fā)布的，它是在RS422 基礎上制定的標準，在導彈上信息交互中起著至關重要的作用[1]。其他的RS232、RS-422和ARINC 429[2]也都大量使用。

隨著元器件使用的逐步推廣，為了驗證器件的功能、性能，有必要對其進一步進行驗證。

1 驗證裝置

為了對RS232、RS-422、RS-485和ARINC429相關元器件進行驗證，開發(fā)了一種驗證板卡。驗證裝置則是用于對驗證板卡進行測試，控制各功能板卡向驗證板卡發(fā)送測試命令和數(shù)據(jù)，并檢測比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷被測設備的總線通信功能是否正常，如圖1所示。

驗證裝置要求人機界面友好，操作簡單，顯示直觀，采用模塊化設計，功能獨立，運行穩(wěn)定。設備的輸入/輸出信號特性與驗證板卡的輸入/輸出信號特性一致。驗證裝置檢測設備應具備手動測試模式和自動測試模式。設備研制過程所涉及的被測產品功能、性能方面的技術要求及技術指標以被測產品承制單位現(xiàn)行有效的產品資料（如：產品規(guī)范、技術說明書、驗收測試程序等）為依據(jù)。

驗證裝置主要功能包括檢測被測模塊RS-232通訊功能是否正常，主要檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常；檢測被測模塊ARINC429通訊功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標準要求；檢測被測模塊RS-422通訊功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標準要求；檢測被測模塊RS-485通訊功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標準要求。

1.1 驗證裝置要求

驗證裝置檢測設備能夠提供驗證板卡所有所需激勵和負載信號，包括總線信號的檢測，實現(xiàn)對驗證板卡RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429等硬件資源的檢測和功能性能的驗證。驗證裝置檢測設備對每個功能通道的測試資源可以單獨激勵和設置。驗證裝置檢測設備測試軟件依據(jù)測試程序控制各功能板卡向驗證板卡發(fā)送測試命令和數(shù)據(jù)，然后驗證裝置檢測設備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷被測模塊通信功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標準要求。

在對總線驗證板卡進行任何測試、拆卸操作時，場所應有防靜電設施，操作者應戴上防靜電腕帶。驗證板卡關機到下一次開機應至少間隔10s，以避免沖擊電流對驗證板卡造成損害。

設備采用統(tǒng)一的測試系統(tǒng)軟件配套測試程序的方式實現(xiàn)，測試軟件需提供源代碼，系統(tǒng)軟件分為開發(fā)軟件與執(zhí)行軟件，開發(fā)軟件用于RS-232、RS-422、RS-485以及ARINC 429測試項目的開發(fā)，測試過程中可以根據(jù)測試項目配套選擇測試程序。測試程序執(zhí)行過程中，測試過程面板會實時更新顯示測試信息，包括測試項目、測試結果、測試結論；測試之前可配置測試項，且可進行測試次數(shù)選擇，測試程序應支持數(shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。驗證裝置檢測設備應具備良好的軟件操作界面，能夠運行測試項目自動化完成測試以及生成測試報告，盡可能減少人員操作過程，并保存相關過程參數(shù)及圖片。

1.2 驗證裝置系統(tǒng)設計

通過對驗證裝置檢測設備需求文件的整理分析，設計驗證裝置架構如圖2所示。其中，主控機具備專用總線擴展槽，插入RS-232/RS-422/RS-485接口卡、ARINC 429接口卡和模擬量采集卡等，以實現(xiàn)測試接口擴展。提供手動和自動測試模式下人機交互界面，支持測試設備軟件的測試功能和維護功能。

圖2? 驗證裝置架構

綜合考慮成本、可靠性、測試需求等各方面的因素，驗證裝置檢測設備基于PCI總線[3]構建。PCI機箱選用的5+2槽機箱。PCI機箱提供PCI總線、各功能板卡工作電源，使主控計算機可以通過PCI總線控制所有板卡，完成對驗證板卡功能測試。預留擴展槽，可根據(jù)后期的應用需求，插入不同的PCI板卡，方便功能擴展。

RS232/422/485模塊選用PCI總線24路RS232/422/485異步串口通訊模塊，可設置為異步RS232/422/485模式。波特率支持CCITT標準通訊速率921.6Kbps～75bps和非標準速率（2.4Mbps，1.44Mbps、1Mbps，500Kbps，200Kbps，100kbps），RS422波特率最高支持10Mbps。

ARINC429總線模塊為PCI總線接口模塊，具有8通道ARINC429的總線通信能力，波特率150Kbps、100Kbps、50Kbps、48Kbps、12.5Kbps、10Kbps可設置。

矩陣開關模塊為PCI總線接口模塊，該模塊包含雙線制的21選1開關陣列。該矩陣開關模塊，可以完成所有總線測試信號切換到高速模擬量采集卡通道，便于對驗證板卡各種總線接口電氣特性是否符合標準要求。

4臺程控電源通過網(wǎng)口多機控制軟件是針對遠程組網(wǎng)控制而研發(fā)的，它方便于客戶利用網(wǎng)線、交換機等，遠程基于UDP協(xié)議[4]進行組網(wǎng)控制電源，可以對每臺電源可實時回讀電壓電流。網(wǎng)口多機控制軟件運行在Win7 SP1以上、Win8、Win10及其兼容機上。

試驗工裝包括過渡板和工裝，工裝提供連接插座，支持驗證板卡的插入，工裝固定在過渡板上供驗證試驗，可以支持驗證板卡的調試、驗證以及環(huán)境試驗。

信號接口箱主要用于工控機與試驗工裝之間測試信號轉接的接口箱，高度為8U，同時將四臺程控電源及交換機及開關電源集成到該接口箱中。

測試電纜主要用于驗證裝置檢測設備工控機、試驗工裝及信號接口箱之間連接，測試電纜的尾部附近均設置固定卡箍，以減小應力，保護電纜，提高可靠性。測試線纜長度為三米，數(shù)量為3根，其中一根為供電線纜，另外兩根為信號輸入輸出接口。

1.3 驗證裝置軟件設計

設備采用統(tǒng)一的測試系統(tǒng)軟件配套測試程序的方式實現(xiàn)，開發(fā)軟件用于ARINC 429/RS-485/RS-422測試項目的開發(fā)，測試過程中可以根據(jù)測試項目配套選擇測試程序。測試程序執(zhí)行過程中，測試過程面板會實時更新顯示測試信息，包括測試項目、測試結果、測試結論；測試之前可配置測試項，且可進行測試次數(shù)選擇，測試程序應支持數(shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。

驗證裝置測試軟件部署在驗證裝置工控機上，是運行在Windows系統(tǒng)平臺上到用戶端軟件，支持對驗證板卡接口、功能、性能及健康狀態(tài)的集成測試，主要檢測RS-232、RS-422、RS-485和ARINC429串口通信接口，同時顯示并記錄驗證板卡內部軟件測試結果，開發(fā)工具選用LabWindows/CVI[5]。LabWindows/CVI是開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的最佳平臺之一，它將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具庫有機地結合起來，它的集成開發(fā)平臺、交互式編程方法、功能面板和庫函數(shù)大大增強了C/C++語言的功能，為熟悉C語言的科技人員建立檢測系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了極大的便利。

測試設備軟件采用模塊化的設計方法，按照軟件功能需求將程序劃分為啟動、系統(tǒng)管理、測試功能、校準功能、數(shù)據(jù)管理功能等幾大模塊，使整個軟件結構清晰，便于維護和升級。界面如圖3所示。

啟動模塊：主要用于完成測試軟件的初始化、用戶登錄和啟動自檢等功能。其中登錄功能用于記錄用戶登錄信息，驗證用戶登錄操作；自檢功能用于實現(xiàn)測試設備的板卡級自檢測，保證測試系統(tǒng)硬件工作正常。

數(shù)據(jù)對比功能：主要用于驗證裝置檢測設備向被測模塊發(fā)出RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429總線測試命令和數(shù)據(jù)；被測模塊通過RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429總線向驗證裝置檢測設備總線接收測試響應數(shù)據(jù)；驗證裝置檢測設備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收響應數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷被測模塊RS-232、RS-422、RS-485、ARINC429通信功能是否正常，并檢測總線信號電氣特性是否符合標準要求。

退出功能：主要是復位硬件設備并釋放動態(tài)分配的內存以及線程等資源，確保軟件安全有效退出。

2 串行總線驗證

2.1 RS-232總線驗證

RS-422通訊功能測試包括2路RS232串行接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設備向計算機發(fā)出串行通信測試命令；

2）測試設備串行通訊模塊向串行通信數(shù)據(jù)接口發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設備；

4）測試設備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當測試設備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

2.2 RS-422總線驗證

RS-422總線測試包括8路RS-422總線接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設備向計算機發(fā)出RS-422總線測試命令；

2）測試設備RS-422總線模塊向RS-422總線發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設備；

4）測試設備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當測試設備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

2.3 RS-485總線驗證

RS-485總線測試包括4路RS-485總線接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設備向計算機發(fā)出RS-485總線測試命令；

2）測試設備RS-485總線模塊向RS-485總線發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設備；

4）測試設備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當測試設備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

2.4 ARINC 429總線驗證

ARINC429總線測試包括4路ARINC429總線接口傳輸。測試主要是檢測數(shù)據(jù)傳輸功能是否正常。測試步驟如下：

1）測試設備向計算機發(fā)出ARINC429總線測試命令；

2）測試設備ARINC429總線模塊向ARINC429總線發(fā)送測試數(shù)據(jù)；

3）控制器正確接收數(shù)據(jù)后，將其返回給測試設備；

4）測試設備比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是否一致，并以此來判斷控制器的串型通訊功能是否正常；

5）當測試設備完成通信測試時發(fā)送退出串行通信測試命令。

3 結論

針對RS232、RS-422、RS-485和ARINC 429相關元器件的驗證需求，本文設計了一種用于對驗證板卡進行驗證的串行總線驗證裝置，構建了驗證平臺，開發(fā)了驗證軟件。經(jīng)過驗證和試驗，表明所驗證的串行總線相關元器件符合預期功能。

參考文獻：

[1] 崔玉江，邵云峰，喬道鵬.彈上RS485總線通訊質量研究[J].現(xiàn)代防御技術，2016，44（2）：209-214.

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[3] 樊江鋒，陳帥，葉波，等.PCI總線技術的發(fā)展[J].電子測試，2017（11）：88-89，71.

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[5] 楊韌.基于LabWindows/CVI的高級應用開發(fā)技術探索[J].信息與電腦（理論版），2019（13）：111-113.

【通聯(lián)編輯：梁書】